modelação do escoamento em pavimentos rodoviários · um carinhoso e sentido obrigado à minha...

Julho de 2013

André Miguel Andrade TrepadoLicenciado em Ciências de Engenharia Civil

Modelação do escoamento empavimentos rodoviários

Dissertação para obtenção do Grau de Mestreem Engenharia Civil - Perfil Construção

Orientador: Doutor Rui Alexandre Lopes Baltazar MicaeloCo-orientador: Doutor Mário Jorge Rodrigues Pereira da Franca

Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa

Júri:

Presidente: Doutor Nuno Manuel da Costa GuerraArguente: Doutor João Fernandes

Vogal: Doutor Rui Alexandre Lopes Baltazar MicaeloVogal: Doutor Mário Jorge Rodrigues Pereira da Franca

“Copyright” André Miguel Andrade Trepado, FCT/UNL e UNL

A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tem o direito, perpétuo e semlimites geográficos, de arquivar e publicar esta dissertação através de exemplares impressos reproduzidosem papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado, ede a divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e distribuição com objectivoseducacionais ou de investigação, não comerciais, desde que seja dado crédito ao autor e editor.

Agradecimentos

Concluída esta grande etapa da minha vida académica é com agrado que expresso a minha gratidão àspessoas que sempre me apoiaram e ajudaram.

Agradeço aos professores Rui Micaelo e Mário Franca por todo o apoio e orientação na execução dadissertação.

Um especial agradecimento à Enga Cidalisa Patrício pelo auxílio na investigação bibliográfica e narevisão da tese.

Obrigado a todos os que participaram activamente no meu percurso académico e motivaram o êxito daconclusão do meu curso.

Agradeço ao Carlos Mata pelo apoio na utilização do MATLAB, ao Guilherme Martins pela ajuda naexecução da apresentação escrita da dissertação e ao João Agostinho pela correcção do inglês.

À Catarina, obrigado por todo o apoio e motivação.

Um carinhoso e sentido obrigado à minha família.

Resumo

A segurança rodoviária é uma preocupação constante das entidades de administração rodoviária peloimpacto social e económico que tem na sociedade. A presença de água no pavimento é um factorimportante na sinistralidade rodoviária, quer pela redução da aderência pneu-pavimento quer pelapossibilidade de ocorrência de hidroplanagem. Para a definição da possibilidade de ocorrência dehidroplanagem é fundamental o conhecimento do escoamento superficial sobre o pavimento.

Existem vários métodos de determinação da espessura da lâmina de água, contudo os resultados variambastante entre as várias metodologias apresentados pelos respectivos autores.

Pretende-se neste trabalho complementar a ferramenta de análise da possibilidade de ocorrência dehidroplanagem desenvolvida na dissertação de mestrado de André Soares com uma análise hidráulicado escoamento superficial. O objectivo principal é modelar o escoamento numericamente, aplicando ométodo das diferenças finitas às equações de Saint-Venant escritas a uma dimensão, e testar diversasleis de resistência. Na modelação considera-se que a precipitação tem uma duração bastante superior aotempo de concentração da bacia em estudo.

As leis de resistência analisadas neste documento são: a lei de Hagen-Poiseuille, considerando oescoamento laminar, e as leis de Colebrook-White e Manning-Strickler para escoamento turbulento. Aadequabilidade de cada lei será analisada e por fim comparar-se-ão os resultados obtidos das diferentesleis de resistência.

Concluiu-se que da utilização de leis de resistência com formulação teórica, Hagen-Poiseuillee Colebrook-White, resultam valores de espessuras de lâmina de água bastante inferiorescomparativamente com a lei de resistência empírica de Manning-Strickler. Verificou-se também queos resultados da aplicação da lei de Manning-Strickler são iguais aos valores obtidos pelo método deAnderson.

O resultado final deste estudo é um modelo numérico pronto a ser testado e validado com dados paraposterior aplicação.

Palavras chave:

Hidroplanagem; Modelação do escoamento; Leis de resistência; Método das diferenças finitas;Escoamento laminar; Escoamento turbulento.

i

Abstract

Road safety is a main concern of entities related to road administration due to the social and economyimpact on the society. The presence of a water film above the pavement is adverse to road safety sinceit reduces the skid resistance and enhances the probability of occurring hydroplaning. To define thepossibility of hydroplaning it is essential to know the superficial flow over the pavement.

There are several methods to determine the water film thickness however the results are not similarconsidering different methods presented by several authors.

With the present work, an upgrade of the hydroplaning analysis tool developed by André Soares in hisMSc. thesis is intended by introducing a hydraulic analysis of the water flow due to precipitation. Themain objective of this dissertation is to model numerically the 1D Saint-Venant equations with finitedifferences method and apply different resistance laws to the flow. The duration of the precipitation isconsidered much larger than the time of concentration of the watershed in study.

The resistance laws analyzed in this document are: Hagen-Poiseuille law for the laminar flow, andColebrook-White and Manning-Strickler laws for turbulent flow. The suitability of each law is verifiedand, the results of the different resistance laws are compared.

Theoretical results given by Hagen-Poiseuille and Colebrook-White laws presents significant lowervalues for the water film thickness than the Manning-Strickler law. Results given by Manning-Stricklerlaw are similar to the results given by Anderson method.

The final result of this study it is a numerical method ready to be tested and validated with data for futureapplication.

Keywords:

Hydroplaning; Flow modeling; Resistance laws; Finite difference method; Laminar flow; Turbulent flow.

iii

Índice

Resumo i

Abstract iii

Índice de figuras vii

Lista de siglas e símbolos xi

1 Introdução 11.1 Enquadramento do tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Estrutura do documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Revisão bibliográfica 52.1 Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Hidroplanagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2.1 Definição de hidroplanagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.2 Tipos de hidroplanagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.3 Aspectos relacionados com hidroplanagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Metodologias tradicionais de cálculo de espessura de água . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.1 Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.2 Road Research Laboratory method (1968) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.3 Método de Gallaway (1979) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.4 Método de Anderson (1998) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Modelo de análise do escoamento 153.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2 Modelo Geométrico do Pavimento, MGP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.1 Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.2.2 Modelação da linha de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2.3 Dados de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.2.4 Dados de saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3 Modelo Hidráulico do Escoamento, MHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.3.1 Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.3.2 Caracterização dos resultados do MGP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3.3 Caudais de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

v

vi ÍNDICE

3.3.4 Curva de regolfo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3.5 Método das diferenças finitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3.6 Discretização espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3.7 Definição da distribuição de caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.3.8 Condições de fronteira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.3.9 Procedimento de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3.10 Parâmetros hidráulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.11 Escoamento laminar e turbulento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3.12 Leis de resistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3.13 Dados de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3.14 Dados de saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4 Caso de estudo 374.1 Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.2 Análise individual das leis de resistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2.1 Hagen-Poiseuille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.2.2 Colebrook-White . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.2.3 Manning-Strickler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.3 Análise comparativa das leis de resistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.4 Influência do número de Reynolds nas alturas de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.5 Análise comparativa dos vários tipos de pavimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.6 Influência da macrorugosidade nas alturas de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.7 Caracterização final da espessura da lâmina de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5 Considerações finais 675.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.2 Propostas de trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Bibliografia referenciada 69

Bibliografia consultada 71

Apêndices 73

A Análise inicial do escoamento 75A.1 Alinhamento recto no1 - AR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75A.2 Zona de disfarce de sobreelevação no3 - ZSe3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

B Análise final do escoamento - AR1 85B.1 Pavimento de betão betuminoso drenante - BBd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85B.2 Pavimento de betão betuminoso - BB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90B.3 Pavimento de cimento - BC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

C Algoritmo de cálculo hidráulico 99C.1 Dados de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.2 Alinhamentos rectos e curvas circulares - Cálculo geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103C.3 Alinhamentos rectos e curvas circulares - Hagen-Poiseuille . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Índice de figuras

1.1 Fluxograma da estrutura da dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 Variação do coeficiente de atrito [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Comportamento do atrito em função da velocidade em pavimento molhado [2] . . . . . . 62.3 Microtextura e macrotextura de um agregado do pavimento (adaptado de [7]) . . . . . . 82.4 Ensaio da mancha de areia (adaptado de [8]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5 Definição de espessura de lâmina de água (adaptado de [9]) . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Metodologia de trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.2 Exemplo de zona de disfarce de sobreelevação (adaptado de [15]) . . . . . . . . . . . . 173.3 Fluxograma do programa realizado por Soares [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.4 Diferentes fases de um pavimento durante uma chuvada [16] . . . . . . . . . . . . . . . 203.5 Definição dos caudais de cálculo e da geometria da área de influência para cada linha de

água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.6 Exemplo do cálculo da curva de regolfo em regime lento . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.7 Modelação do regime rápido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.8 Fluxograma do cálculo hidráulico generalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.9 Corte transversal do escoamento de águas pluviais em pavimentos rodoviários para a

área de influência de uma linha de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.10 Resultados da resistência ao escoamento de superfícies rugosas [19] . . . . . . . . . . . 323.11 Linha de tendência calculada de acordo com os valores de Woo [19] . . . . . . . . . . . 32

4.1 Trajectórias de escoamento do troço AR1 (adaptado de [2]) . . . . . . . . . . . . . . . . 394.2 Trajectórias de escoamento do troço ZSe3 (adaptado de [2]) . . . . . . . . . . . . . . . 394.3 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Hagen-Poiseuille com intensidade

de precipitação efectiva de 20 mm/h - AR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.4 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Hagen-Poiseuille com intensidades

de precipitação efectiva de 40, 80 e 120 mm/h com D=1000 - AR1 . . . . . . . . . . . . 414.5 Factores de resistência da aplicação da lei de resistência de Hagen-Poiseuille com

intensidades de precipitação efectiva de 40, 80 e 120 mm/h com D=1000 - AR1 . . . . . 424.6 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Hagen-Poiseuille com intensidade

de precipitação efectiva de 20 mm/h - 115/ZSe3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.7 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Hagen-Poiseuille com intensidade

de precipitação efectiva de 20 mm/h - 77/ZSe3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.8 Primeira abordagem ao cálculo hidráulico com a lei de resistência de Colebrook-White . 444.9 Segunda abordagem ao cálculo hidráulico com a lei de resistência de Colebrook-White . 45

vii

viii ÍNDICE DE FIGURAS

4.10 Aplicação da segunda metodologia da lei de Colebrook-White para o cálculo de alturasde água com intensidade de precipitação efectiva de 20 mm/h . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.11 - Abordagem definitiva de cálculo hidráulico com a lei de resistência de Colebrook-White 464.12 Aplicação da metodologia definitiva de cálculo hidráulico com a lei resistência de

Colebrook-White . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.13 Altura de água da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White com intensidade

de precipitação efectiva de 20 mm/h e D=1000 - AR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.14 Altura de água da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White com intensidades

de precipitação efectiva de 20 e 40 mm/h e D=1000 - AR1 . . . . . . . . . . . . . . . . 484.15 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White com intensidades

de precipitação efectiva de 40, 80 e 120 mm/h com D=100 - AR1 . . . . . . . . . . . . . 484.16 - Factores de resistência da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White com

intensidades de precipitação efectiva de 40, 80 e 120 mm/h com D=100 - AR1 . . . . . . 494.17 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White com intensidade

de precipitação efectiva de 20 mm/h com D=200 - 115/ZSe3 . . . . . . . . . . . . . . . 494.18 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White com intensidade

de precipitação efectiva de 20 mm/h com D=500 - 77/ZSe3 . . . . . . . . . . . . . . . . 504.19 Altura de água da aplicação da lei de resistência de Manning-Strickler com intensidade

de precipitação efectiva de 20 mm/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.20 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Manning-Strickler com intensidades

de precipitação efectiva de 40, 80 e 120 mm/h com D=10000 - AR1 . . . . . . . . . . . 514.21 Factores de resistência da aplicação da lei de resistência de Manning-Strickler com

intensidades de precipitação efectiva de 40, 80 e 120 mm/h com D=10000 - AR1 . . . . 524.22 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Manning-Strickler com intensidade

de precipitação efectiva de 20 mm/h com D=10000 - 77/Zse3 . . . . . . . . . . . . . . . 534.23 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Manning-Strickler com intensidades

de precipitação efectiva de 20 mm/h com D=10000 - 115/Zse3 . . . . . . . . . . . . . . 534.24 Análise da aplicação de lei de Manning-Strickler com várias discretizações para a linha

77 do caso ZSe3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.25 Análise da aplicação de lei de Manning-Strickler com várias discretizações para a linha

115 do caso ZSe3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.26 Corte longitudinal do escoamento com detalhe da macrorugosidade . . . . . . . . . . . 554.27 Análise comparativa das alturas de água entre leis de resistência . . . . . . . . . . . . . 564.28 Factores de resistência da aplicação da lei de Hagen-Poiseuille para diferentes

formulações do número de Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.29 Alturas de água da aplicação da lei de Hagen-Poiseuille para diferentes formulações do

número de Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.30 Factores de resistência da aplicação da lei de Colebrook-White para diferentes

formulações do número de Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.31 Alturas de água da aplicação da lei de Colebrook-White para diferentes formulações do

número de Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.32 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Manning-Strickler a diferentes tipos

de pavimento com altura de areia de 1,2 mm com intensidade de precipitação efectiva de20 mm/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.33 Coeficientes de rugosidades da aplicação da lei de resistência de Manning-Strickler adiferentes tipos de pavimento com altura de areia de 1,2 mm . . . . . . . . . . . . . . . 61

ÍNDICE DE FIGURAS ix

4.34 Alturas de água da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White a diferentes alturasde areia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.35 Factores de resistência da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White a diferentesalturas de areia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.36 Velocidades de escoamento da aplicação da lei de resistência de Colebrook-White adiferentes alturas de areia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.37 Espessuras de lâminas de água com a aplicação da lei de resistência de Colebrook-Whitea diferentes alturas de areia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.38 Espessuras de lâmina de água finais para BBd com intensidade de precipitação efectivade 40mm/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.39 Espessuras de lâmina de água finais para BB com intensidade de precipitação efectiva de45mm/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.40 Espessuras de lâmina de água finais para BC com intensidade de precipitação efectiva de45mm/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Lista de siglas e símbolos

Siglas

AR Alinhamento recto

BB Betão betuminoso

BBd Betão betuminoso drenante

BC Betão de cimento

CC Curva circular

MGP Modelo geométrico do pavimento

MHE Modelo hidráulico do escoamento

ZSe Zona de disfarce de sobreelevação

Símbolos

Aa Altura de areia ou profundidade média das asperezas

Ap Área de influência da precipitação

C Coeficiente de forma

D Intervalos de discretização

Dh Diâmetro hidráulico

E Energia total de escoamento

F Taxa de infiltração

Fr Número de Froude

H Energia específica de escoamento

I Inclinação de fundo ou inclinação da linha de água

K Quociente entre a rugosidade equivalente e o diâmetro hidráulico

Ks Coeficiente de rugosidade

L Comprimento da linha de água

xi

xii LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS

Lf Comprimento total da linha de água

P Perímetro molhado

Q Caudal de escoamento

Qf Caudal final da linha de água

R Raio da mancha de areia

Re Número de Reynolds

Rh Raio hidráulico

S Secção de escoamento

Sc Inclinação transversal do pavimento

Sl Inclinação longitudinal do pavimento

V Velocidade de escoamento

Vareia Volume de areia

b Largura de pavimento que contribui para o escoamento

e Espessura da lâmina de água

f Factor de resistência

g Aceleração gravítica

h Altura de escoamento

i perda de carga unitária

ip Intensidade de precipitação

ipe Intensidade de precipitação efectiva

k Rugosidade equivalente

n Coeficiente de Rugosidade

p Pressão

q Caudal por unidade de largura

v Velocidade de escoamento por unidade de largura

z Altura geométrica

∆E Perda de carga

∆s Distância entre pontos discretizados

α Coeficiente de Coriolis

LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS xiii

γ Peso volúmico

µ Coeficiente de viscosidade dinâmica

ν Coeficiente de viscosidade cinémática

ρ Massa volúmica

Capítulo 1

Introdução

1.1 Enquadramento do tema

A segurança rodoviária é um tema com bastante importância no quotidiano das pessoas, sendo asinistralidade rodoviária uma das principais causas de morte em Portugal. Tem-se assistido a umacrescente preocupação por parte das entidades responsáveis com a redução do número de mortos nasestradas procurando sensibilizar-se os condutores para esta problemática, por exemplo, com o recursoaos meios de comunicação e eliminação de pontos negros das vias [1]. São diversos os factores quecontribuem para a segurança rodoviária, tais como as características da estrada, o comportamento doscondutores, as características dos veículos e outros.

Estes factores associados a condições meteorológicas adversas aumentam significativamente asinistralidade. A ocorrência de chuvadas fortes proporciona deficientes condições para a conduçãodiminuindo a visibilidade e aumentando o risco de hidroplanagem.

A hidroplanagem ocorre quando o veículo perde, por completo ou parcialmente, o contacto do pneu como pavimento devido à existência de uma lâmina de água entre ambos. A perda de contacto é causadapela dificuldade que o pneu tem em expulsar a água presente entre o pneu e o pavimento e pode serconsequência das velocidades praticadas, das características do pavimento associadas às característicasgeométricas da estrada e do estado dos pneus.

Actualmente os projectos de vias de comunicação são realizados atendendo a um conjunto de regras enormas. O dimensionamento do traçado tem em consideração a necessidade de escoar a água provenienteda precipitação que possa vir a ocorrer. Esta preocupação é essencial para a segurança rodoviária, poisobriga a drenagem do escoamento com origem pluvial limitando assim, em casos de chuvadas fortes, alâmina de água no pavimento.

O escoamento nas estradas é um assunto estudado por muitos autores mas é um tema que ainda temmuitos aspectos por investigar. Saber caracterizar a altura da lâmina de água nos pavimentos rodoviáriosauxilia a tomada de decisões em sede de projecto.

1.2 Objectivos

Com o presente trabalho procura analisar-se o comportamento hidráulico do escoamento em pavimentosrodoviários. Assim, procura-se desenvolver um modelo de cálculo que represente da melhor forma o

1

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

escoamento em questão.

Pretende-se complementar o programa realizado por Soares [2] dando continuidade ao seu trabalhono qual se define as trajectórias do escoamento em pavimentos rodoviários, introduzindo o cálculohidráulico com especial análise da aplicação de várias leis de resistência ao escoamento. As leis que sãoanalisadas são a lei de resistência de Manning-Strickler, a de Colebrook-White e a de Hagen-Poiseuille[3].

O programa que será desenvolvido tem pois como objectivo servir de apoio à análise funcional dosprojectos de vias de comunicação. A existência de uma ferramenta de dimensionamento hidráulicopode facilitar a compreensão e a previsão do comportamento das estradas quando confrontadas comprecipitações intensas.

1.3 Metodologia

Na primeira etapa do trabalho faz-se uma revisão bibliográfica com o objectivo de perceber o que já seencontra estudado sobre o escoamento sobre pavimentos rodoviários e sobre a hidroplanagem.

Posteriormente é feita a análise do programa realizado por Soares [2] que consiste na definição datrajectória do escoamento ao longo das estradas. É este o programa que se complementa no presenteestudo, implementando-se a análise hidráulica no programa. Após o estudo do trabalho realizado porSoares [2] desenvolve-se um modelo do escoamento proveniente da precipitação sobre pavimentosrodoviários em suporte informático, implementando-se um algoritmo de cálculo das equações deSaint-Venant (1D) com recurso ao método das diferenças finitas. Procurar-se-ão as bases teóricas dehidráulica que se possam adaptar ao caso de estudo e serão aplicadas várias leis de resistência aoescoamento.

Com o algoritmo desenvolvido aplica-se este a um caso real, o mesmo analisado por Soares [2], eanalisam-se os resultados obtidos. Na análise do caso real pretende-se verificar a adequabilidade dasdiferentes leis de resistência.

1.4 Estrutura do documento

A dissertação está dividida em cinco capítulos de acordo com a Figura 1.1 sendo o primeiro o presentecapítulo, a Introdução.

O segundo capítulo aborda a revisão bibliográfica realizada no âmbito da hidroplanagem e dasmetodologias tradicionais de determinação de espessuras de água do escoamento sobre pavimentosrodoviários.

No terceiro capítulo é resumido o modelo realizado para a análise de ocorrência de hidroplanagem [2],modelo geométrico do pavimento, que servirá de base para a análise hidráulica do escoamento. Serátambém desenvolvido o programa realizado no âmbito do tema desta dissertação, modelo hidráulico doescoamento. Neste tópico será apresentada a investigação bibliográfica realizada para o desenvolvimentoda análise hidráulica e será referido o método numérico, o método das diferenças finitas, utilizado para adeterminação das espessuras de água no pavimento.

1.4. ESTRUTURA DO DOCUMENTO 3

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3. MODELO DE ANÁLISE DO

ESCOAMENTO

HIDROPLANAGEMMETODOLOGIAS DE

ANÁLISE TRADICIONAIS

GEOMETRIA DA ESTRADA

ESCOAMENTO DE ÁGUAS PLUVIAIS

MODELO FINAL4. CASO DE ESTUDO

5. CONCLUSÕES E PROPOSTAS DE

TRABALHO FUTURO

1. INTRODUÇÃO

Figura 1.1: Fluxograma da estrutura da dissertação

O quarto capítulo é a aplicação do modelo geométrico e do modelo hidráulico a um caso real. Todos ospormenores referentes às leis de resistência utilizadas serão referidos com algum detalhe para melhorcompreensão de toda a modelação realizada. Análises comparativas realizar-se-ão neste capítulo assimcomo se verificará a adequabilidade das leis de resistência utilizadas ao tipo de escoamento em estudo.

No último capítulo serão identificadas as conclusões retiradas da aplicação do modelo hidráulico aum caso real destacando a aplicação de diversas leis de resistência ao escoamento a diferentes casos,com diferentes tipos de pavimento e diferentes intensidades de precipitação. Por fim são enumeradaspropostas para estudo futuro.

Capítulo 2

Revisão bibliográfica

2.1 Considerações gerais

A revisão bibliográfica apresentada engloba o conceito de hidroplanagem e as metodologias tradicionaisde cálculo de espessuras de água em pavimentos rodoviários. Uma vez que a hidroplanagem é ofenómeno que se pretende minimizar e prever será explicado sumariamente o seu conceito e osparâmetros que influenciam directamente a sua ocorrência. Serão também revistos os métodos maisutilizados no cálculo de espessuras de lâmina de água em pavimentos. Note-se que a revisão bibliográficasobre o fenómeno da hidroplanagem não é exaustiva uma vez que o objectivo da dissertação é o cálculohidráulico do escoamento.

2.2 Hidroplanagem

2.2.1 Definição de hidroplanagem

Comummente referido como hidroplanagem na literatura americana, hydroplaning, ou aquaplanagem naliteratura inglesa, aquaplaning, o fenómeno é visto com alguma preocupação devido à pouca investigaçãoe conhecimento sobre o assunto. No entanto, há já autores que trataram o fenómeno com abordagensdistintas como se poderá verificar no presente capítulo.

A hidroplanagem ou aquaplanagem ocorre quando o pneu do veículo perde o contacto com o pavimento,parcial ou totalmente, ficando separados por uma lâmina de água. Durante precipitações de grandeintensidade as águas pluviais ao escoarem criam uma lâmina de água no pavimento. Nestas condições oatrito entre o pneu e o pavimento é significativamente menor comparativamente ao atrito verificado empavimento seco.

Na Figura 2.1 pode-se observar o resultado de um estudo em que apresenta a influência da presença deágua no pavimento sobre o coeficiente de atrito [4].

5

6 CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

ANÁLISE DA OCORRÊNCIA DE HIDROPLANAGEM NUM CASO REAL

6

Relativamente ao parâmetro atrito pneu-pavimento há que ter em conta diversos factores dos

quais depende, tais como o seu carácter evolutivo no tempo, o estado do pavimento (textura

superficial do pavimento), a responsabilidade do condutor (tipo e estado dos pneus, a pressão

de enchimento, a carga por roda e a velocidade de circulação), as condições climatéricas

(chuva, neve, gelo) e a época do ano (temperatura e pluviosidade).

O atrito disponível em pavimentos molhados é significativamente inferior ao encontrado

quando o pavimento está seco. Este facto ocorre por não se conseguir expulsar completamente

o fluido que se encontra entre o pneu e a superfície do pavimento. A fina película de água que

permanece na área de contacto reduz substancialmente a componente principal do atrito, a

adesão.

Na medida em que a velocidade aumenta, o tempo de contacto do pneu com o pavimento

reduz-se, diminuindo também, o tempo disponível para que o processo de expulsão da água se

complete. Por este motivo, o atrito em pavimentos molhados diminui com a velocidade e é

proporcional à área da zona de contacto onde ocorre efectivamente o contacto directo entre

pneu e pavimento (parte da área de contacto em que foi possível a completa expulsão do

fluido). Mesmo que esse contacto directo entre o pneu e o pavimento ocorra em áreas muito

pequenas (asperezas dos agregados), o atrito disponível é proporcional ao somatório dessas

pequenas áreas (Francisco, 2009).

A Figura 2.2 mostra este facto onde são comparados os resultados dos coeficientes de atrito

medidos num pavimento em condição seca e molhada, em função da velocidade, mantidas

todas as características do veículo de teste.

Figura 2.2 - Variação do coeficiente de atrito em pavimentos secos e molhados (Adaptado de Horne e Dreher,

1963).

Figura 2.1: Variação do coeficiente de atrito [2]

A incapacidade do pneu expulsar a água do pavimento reduz substancialmente a aderênciapneu-pavimento. A velocidade tem bastante influência na diminuição do coeficiente de atrito, pois como aumento da velocidade o tempo de contacto entre o pneu e o pavimento diminui, diminuindo tambéma capacidade de expulsão da água.

Comfort [5] complementou a análise realizada por Horne [4] e concluiu que o coeficiente de atritopneu-pavimento altera profundamente com o aumento da velocidade e com a presença de água nopavimento (Figura 2.2).

2 - HIDROPLANAGEM: ESTADO DA ARTE

7

Para se obter o atrito necessário à travagem em pavimentos molhados, é fundamental que se

atravesse a película de água que se interpõe entre o pneu e o pavimento, de forma a obter

contacto semelhante ao encontrado em pavimentos secos.

A Figura 2.3 mostra a relação do comportamento do atrito em função da velocidade de

deslocamento, na presença de água sobre a superfície do pavimento. Segundo o estudo de

Comfort (2001), a partir da velocidade de hidroplanagem (Vh) o atrito é praticamente nulo.

Figura 2.3 - Comportamento do atrito em função da velocidade em pavimento molhado (Adaptado de Comfort,

2001).

2.4 Tipos de hidroplanagem

De acordo com Filho (2006), existem quatro tipos de hidroplanagem:

Viscosa;

Dinâmica;

Por desvulcanização;

Real/combinada.

2.4.1 Hidroplanagem viscosa

A hidroplanagem viscosa ocorre para velocidades relativamente baixas, devido ao efeito da

viscosidade da água, que se opõe à sua expulsão da área de contacto entre o pneu e o

pavimento.

É nas superfícies mais lisas que esse tipo de hidroplanagem é verificado, condição esta que

ocorre com maior frequência nas áreas impregnadas por borracha proveniente do desgaste dos

pneus. O risco agrava-se com aumento da viscosidade da água por efeito de contaminação por

exemplo com argilas, siltes e entre outros, podendo a hidroplanagem ocorrer a velocidades

muito baixas, até com pneus com ranhuras em boas condições (Filho, 2006).

Figura 2.2: Comportamento do atrito em função da velocidade em pavimento molhado [2]

Num pavimento molhado a pressão hidrodinâmica exercida pela água acumulada entre o pneu eo pavimento aumenta com a velocidade praticada. Desta forma, a velocidade elevada é um factorfundamental para que a probabilidade de ocorrência de hidroplanagem aumente. Na presença de chuvaé necessário uma prevenção por parte do condutor.

2.2. HIDROPLANAGEM 7

2.2.2 Tipos de hidroplanagem

A hidroplanagem viscosa está associada a velocidades baixas em pavimentos com pouca microtextura[6]. De um modo geral esta hidroplanagem ocorre devido à dificuldade de expulsão da água entre o pneue o pavimento em consequência da viscosidade da água. A contaminação da água com argilas, siltese outros materiais, aumenta significativamente o risco de ocorrência de hidroplanagem viscosa [2]. Osfactores mais influentes neste fenómeno são a viscosidade do fluido, as condições do pneumático e ascaracterísticas da camada de desgaste do pavimento.

As forças ascendentes geradas pela água sob o pneu em movimento são responsáveis pelo fenómenoda hidroplanagem dinâmica [2]. Quando o balanço entre a capacidade de drenagem e a água a drenaré negativo, geram-se condições para a ocorrência de hidroplanagem. A capacidade de drenagem estádirectamente relacionada com a velocidade do veículo. Se esta for muito elevada o tempo disponívelpara a expulsão da água diminui, aumentando o risco.

De acordo com a pesquisa bibliográfica realizada por Soares [2] a combinação das hidroplanagensviscosa e dinâmica é a situação mais corrente, sendo rara a ocorrência das duas em separado, e diz-sehidroplanagem real.

Na literatura este fenómeno é dividido em quatro fases: o início da hidroplanagem em que grandeparte do fluido adjacente ao pneu é lançada para a frente do mesmo e parte do fluido penetra namacrorugosidade do pavimento; a segunda fase é a hidroplanagem parcial e ocorre com o aumentoda velocidade consistindo no aumento da área de acumulação de fluido entre o pneu e o pavimento,causando o aumento da pressão hidrodinâmica entre eles, e há uma diminuição da zona de contacto seco;a terceira fase, hidroplanagem quase total, é caracterizada pela proximidade da velocidade crítica dehidroplanagem e não existe área de contacto seco entre o pneu e o pavimento; a hidroplanagem total é aúltima fase em que o pneu está todo sujeito a pressões hidrodinâmicas por parte do fluido e fica excedidaa velocidade crítica de hidroplanagem.

2.2.3 Aspectos relacionados com hidroplanagem

Chama-se de velocidade crítica de hidroplanagem à velocidade mínima em que o fenómeno dahidroplanagem se inicia. Esta velocidade é função de diversos factores como a espessura da lâminade água, a intensidade de precipitação, as características dos pneus, a camada de desgaste e outros.

Existem, na literatura, diversas propostas de cálculo de velocidades críticas de hidroplanagem. Esteassunto não será aprofundado, pois a definição dessa velocidade não é objectivo da dissertação.

Os pneus têm um papel determinante no fenómeno da hidroplanagem. Quanto maior a pressão dos pneus,menor a possibilidade de ocorrência de hidroplanagem, pois aumenta a resistência à deformação dopneumático quando confrontado com a água. A largura dos pneus é também fundamental, pois pneusmuito largos podem dificultar a expulsão de água aumentando a área de contacto com a lâmina de águae pneus pouco largos podem ter área de contacto insuficiente para um bom desempenho face à presençade água no pavimento. O formato das ranhuras influencia também a expulsão de água.

As chuvadas fortes, de pequena duração, não são muito frequentes em Portugal. O período de retornopara chuvadas que criem uma lâmina de água considerável é muito grande o que torna a sua ocorrênciarara. A determinação da intensidade de precipitação em projecto é dependente da zona geográfica em que


se quer implantar a estrada e do período de retorno, tipicamente considerado de 100 anos em análisesde ocorrência de hidroplanagem (em análise limite). Desta forma, a análise do funcionamento da estradaface à drenagem passa pela caracterização das intensidades de precipitação de acordo com a zona doprojecto. No caso de estudo serão analisadas várias intensidades de precipitação, arbitrárias, com oobjectivo de verificar a funcionalidade da modelação hidráulica.

Quanto maior for a espessura de água no pavimento maior o risco de hidroplanagem e menor a velocidadede início de hidroplanagem. Este parâmetro será analisado em maior detalhe posteriormente

Os pavimentos das estradas são caracterizados pela sua macrotextura e microtextura, ou macrorugosidadee microrugosidade respectivamente (Figura 2.3).

Figura 2.3: Microtextura e macrotextura de um agregado do pavimento (adaptado de [7])

O atrito provocado pela microtextura de um pavimento é importante para a segurança dos utilizadoresrodoviários para velocidades baixas em pavimentos molhados. Para velocidades altas a microtexturadeixa de ter a mesma influência sobre o veículo [2].

A macrotextura tem um papel fundamental no comportamento da camada de desgaste face à presençade água. É função da curva granulométrica, do método construtivo, da conservação e da manutenção dopavimento. Vários estudos revelam que para velocidades elevadas a macrotextura é fundamental paraa prevenção da hidroplanagem. A explicação deste facto é a boa drenagem da água pelos vazios dopavimento. Assim, a pressão hidrodinâmica exercida pela espessura de água sobre o pneu diminui devidoà facilidade de expulsão da água pelas asperezas.

Existem diversos tipos de camadas de desgaste sendo o mais corrente em Portugal o betão betuminoso.A camada de desgaste é um parâmetro importante para o controle da hidroplanagem pois modificando-apode-se prevenir a ocorrência desse fenómeno.

As várias análises do risco de hidroplanagem presentes na literatura tratam várias camadas de desgasteno entanto as que se utilizarão no modelo proposto neste trabalho são as mesmas analisadas por Soares[2].

Os valores da profundidade média de textura ou das asperezas das camadas de desgaste, Aa, sãodeterminados com o recurso ao método volumétrico da mancha de areia. Este método pode ser aplicado

2.2. HIDROPLANAGEM 9

a qualquer tipo de pavimento não drenante [2]. Também se utiliza o método de laser, sendo este ummétodo de medição em contínuo utilizado para a caracterização final do pavimento.

O ensaio baseia-se no espalhamento de um volume de um material com características físicas conhecidas(areia fina ou esferas de vidro) sobre o pavimento (Figura 2.4). De seguida determina-se o diâmetrodo circulo formado pelo espalhamento e realiza-se o cálculo da profundidade média da textura com aequação 2.1. Este ensaio está definido na norma EN 13036-1 (2001).

Figura 2.4: Ensaio da mancha de areia (adaptado de [8])

A altura de areia é definida pela equação 2.1 em que Aa é a altura de areia e R é o raio da mancha deareia. Os resultados deste ensaio são expressos em milímetros.

Aa =VareiaπR2

(mm) (2.1)

Num pavimento molhado a pressão hidrodinâmica exercida pela água acumulada entre o pneu e opavimento aumenta com a velocidade praticada como já foi referido. Assim, a velocidade praticada pelos


condutores é também um factor fundamental para que a probabilidade de ocorrência de hidroplanagemaumente. Na presença de chuva é necessária maior prevenção por parte do condutor.

2.3 Metodologias tradicionais de cálculo de espessura de água

2.3.1 Considerações gerais

Em seguida apresentam-se alguns dos métodos presentes na literatura para o cálculo da espessura dalâmina de água proveniente do escoamento de águas pluviais em pavimentos rodoviários.

Numa primeira abordagem há que definir o que é a espessura da lâmina de água. Como se pode observarna Figura 2.5 a altura total do escoamento, h, é a lâmina de água total. Já para efeitos de hidroplanagemsó interessa a altura de água acima das asperezas pelo que se define como espessura da lâmina de água adiferença entre a altura total do escoamento e a profundidade média das asperezas, Aa.

Figura 2.5: Definição de espessura de lâmina de água (adaptado de [9])

Para uma boa compreensão das metodologias apresentadas em seguida é necessário definir a intensidadede precipitação efectiva ipe (mm/h), uma vez que dependendo do tipo de pavimento este pode ter ounão capacidade de infiltração. Assim, define-se que a intensidade de precipitação efectiva é a diferençaentre a intensidade de precipitação total ip (mm/h) e a taxa de infiltração F (mm/h). A evaporação não écontabilizada nas análises expostas.

ipe = ip− F (2.2)

2.3.2 Road Research Laboratory method (1968)

Nas normas de projecto de auto-estradas da Nova Zelândia [10] é proposta a utilização da equação 2.3para a determinação da espessura da lâmina de água. De acordo com Chesterton [11] esta metodologia

2.3. METODOLOGIAS TRADICIONAIS DE CÁLCULO DE ESPESSURA DE ÁGUA 11

baseia-se nos documentos realizados pela Road Research Laboratory e pela National Association ofAustralian State Road Authorities.

O acesso aos documentos acima identificados não foi conseguido pelo que não será possível verificar aanálise realizada na determinação da equação referida.

e = 0.046

(Lf ipeI

)1/2(2.3)

Em que, e é a espessura da lâmina de água (mm), Lf é o comprimento da linha de água (m) e I é ainclinação da linha de água (m/m).

Onde para situações em trainel e alinhamento recto tem-se:

I = (S2l + S2c )

1/2 (2.4)

onde, Sl é a inclinação longitudinal (m/m) e Sc é a inclinação transversal (m/m). E o comprimento dalinha de água é dado por:

Lf = bI

Sc(2.5)

em que, b é a largura de pavimento que contribui para o escoamento (m).

Esta metodologia de cálculo de espessuras de água é também válida nos manuais de drenagem empavimentos rodoviários da África do Sul [12]. No manual de drenagem da África do Sul são especificadosvalores de referência para alturas de escoamento e para inclinações de linhas de água. A altura deescoamento referente a precipitações com períodos de retorno de 1 a 5 anos nao deve exceder os 6mm e a inclinação mínima das linhas de água não pode ser inferior a 0.02 [12].

Como se pode verificar este método apenas é válido para alinhamentos rectos em traineis tornando adeterminação das espessuras de água limitadas no seu uso. Para casos mais complexos de traçado estametodologia não pode ser aplicada com rigor.

2.3.3 Método de Gallaway (1979)

Em 1979 Gallaway [13] desenvolveu uma metodologia de análise de alturas de lâminas de água com orecurso a várias medições. O seu trabalho incidiu sobre o escoamento de águas pluviais em pavimentosde betão de cimento.

No estudo realizado foram analisados diversos casos com comprimentos de linha de água até 14,6 m,inclinações até 8% e intensidades de precipitação até 50 mm/h. Dum resultado de 117 medições de


espessuras de água realizadas em 1979 e mais 218 realizadas em 1971 gerou-se a seguinte equação parao cálculo de espessuras de água:

e =0.01485L0.43ip0.59e Aa

0.11

I0.42−Aa (2.6)

em que, L é o andamento da linha de água (m) e Aa é a altura de areia (mm).

Conclusões do trabalho de Gallaway [13]:

• A espessura de água sendo função da inclinação, da macrorugosidade e da intensidade deprecipitação, pode ser calculada com segurança para linhas de água até 14,6 m;

• A direcção da textura não influencia significativamente os resultados podendo ser desprezada;

• Após a cessação da precipitação existe ainda uma espessura de água perigosa para os utilizadores;

• O aumento da macrorugosidade melhora consideravelmente a segurança e nas estradas deveria serrequerido um mínimo de altura de areia inicial de 1,5 mm. Em nenhum caso deve ser utilizadouma profundidade média das asperezas inferior a 1,3 mm.

No manual de drenagem do estado de Queensland, na Austrália, este é o método de determinação dealturas de água utilizado [14]. São especificados diversos valores de referência:

• As linhas de água não podem ser superiores a 60 m;

• O tempo de concentração é limitado a 10 minutos;

• A espessura de lâmina de água não deve exceder os 5 mm em nenhum caso.

2.3.4 Método de Anderson (1998)

A resistência hidráulica da superfície de um pavimento pode ser caracterizada pelo coeficiente denatureza empírica de Manning. É com este parâmetro que se consegue calcular as perdas de cargacontínuas utilizando a fórmula de Manning-Strickler e prever a altura de água do escoamento.

Existe pouca informação disponível de experiências em pavimentos betuminosos e em pavimentosem betão para a determinação do coeficiente de Manning. Neste trabalho são utilizados os valorespropostos por Anderson [9] que serão apresentados em seguida.

Anderson [9] já tinha analisado a equação de Gallaway no seu estudo mas procurou outraabordagem de cálculo para a espessura da linha de água. Uma vez que a equação de Gallaway[13] era de natureza empírica e era geral quanto aos tipos de pavimento ele procurou encontraruma equação analítica que se ajustasse ao escoamento em questão.

2.3. METODOLOGIAS TRADICIONAIS DE CÁLCULO DE ESPESSURA DE ÁGUA 13

Assim, foi utilizada a equação de Manning-Strickler como lei de resistência no seu estudo. Para aaplicação esta lei era necessário definir os coeficientes de Manning para todos os pavimentos. Como recurso a uma grande variedade de dados experimentais presentes na literatura, com medições dealturas de águas executadas em laboratório com chuva simulada e com medições in situ conseguiuutilizar a equação de Manning-Strickler para definir os coeficientes de Manning.

Uma vez que a aplicação desta lei assume que o escoamento é turbulento, Anderson [9] argumentaque o escoamento é, de facto, turbulento devido à perturbação causada pelo impacto das gotas deágua provenientes da precipitação.

Várias premissas e conclusões são assumidas no seu estudo:

– A drenagem apenas ocorre para a camada total de água que é a espessura de água acima dasasperezas mais a profundidade média das asperezas. A água abaixo da profundidade médiadas asperezas considera-se imóvel e não contribui para o escoamento;

– A trajectória de uma partícula de água que caia no pavimento é definida como a linha que ainclinação da superfície do pavimento determina;

– Diminuindo o comprimento da linha de água resulta num escoamento com menores alturasde água;

– Aumentar a macrorugosidade da superfície do pavimento melhora as condições decirculação, pois a água armazenada abaixo na profundidade média da textura aumenta.

A equação unidimensional da onda cinemática de Anderson é a seguinte:

e =

[n× L× ipe36, 1× I0,5

]0,6−Aa (2.7)

onde, n é o coeficiente de Manning (m−1/3 s).

Os coeficientes de Manning apresentados por Anderson para os três diferentes tipos de pavimentosanalisados no seu estudo são:

– Pavimento de betão de cimento

n =0, 319

Re0,480 Re < 1000 (2.8)

n =0, 345

Re0,502 Re < 500 (2.9)


– Pavimento de betão betuminoso

n = 0, 0823×Re−0,174 (2.10)

– Pavimento de betão betuminoso drenante

n =1, 49× I0,306

Re0,424 (2.11)

O número de Reynolds utilizado é o correspondente para escoamentos em superfície livre:

Re =q

ν(2.12)

em que, q é o caudal (m3/s/m) e ν é a viscosidade cinemática da água (m2/s).

Este método é bastante mais detalhado quanto aos vários tipos pavimentos e comparativamentecom os métodos anteriores tem a vantagem de o número de Reynolds ser calculado com diferentesviscosidades cinemáticas da água. Este detalhe tem a peculiaridade de permitir o cálculo de alturasde água com dependência da temperatura do pavimento. Desta forma a análise de espessuras delâminas de água torna-se mais realista dado que a viscosidade tem influência no escoamento e astemperaturas do pavimento alteram bastante entre as estações do ano.

Capítulo 3

Modelo de análise do escoamento

3.1 Introdução

O modelo de análise do escoamento sobre pavimentos será constituído pelo módulo de análisehidráulica aqui desenvolvido e aplicado ao programa de análise geométrica do pavimento realizadopor Soares [2].

Neste capítulo serão explicadas as bases de cálculo do modelo geométrico já existente e, maispormenorizadamente, será explicado o modelo hidráulico realizado no âmbito deste trabalho.

Para que se perceba os passos dados na realização do modelo de análise do escoamento na Figura3.1 está um fluxograma do trabalho realizado neste capítulo. As três diferentes cores representamos tópicos fundamentais da modelação hidráulica realizados.

A cor cinzenta representa a análise do programa realizado por Soares [2], este tópico será referidocomo Modelo Geométrico do Pavimento, MGP. As restantes cores são constituintes do ModeloHidráulico do Escoamento, MHE.

15

16 CAPÍTULO 3. MODELO DE ANÁLISE DO ESCOAMENTO

GEOMETRIA DA ESTRADA

DEFINIÇÃO DA REDE DE LINHAS DE ÁGUA PRECIPITAÇÃO

SUPERFÍCIE DO PAVIMENTO

CÁLCULO DE CAUDAIS

FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DO

ESCOAMENTO

CONDIÇÕES DE FRONTEIRA

LEIS DE RESISTÊNCIA

CÁLCULO HIDRÁULICO

MGP

MHE

Figura 3.1: Metodologia de trabalho

3.2 Modelo Geométrico do Pavimento, MGP


Na Figura 3.1 este tópico é representado pela cor cinzenta e diz respeito ao modelo realizadopor Soares [2]. O programa realizado no âmbito da tese Análise de ocorrência de hidroplanagemnum caso real é indispensável à modelação hidráulica. Este modelo permite analisar todas assituações correntes numa estrada, alinhamentos rectos, curvas circulares e zonas de disfarce dasobreelevação. O programa realizado pelo André Soares realiza uma análise bastante complexapois introduz inclinações longitudinais variáveis. Este pormenor tem bastante relevância poispossibilita a análise da sucessão de trainéis e curvas de concordância vertical. Este programadesignar-se-á por Modelo Geométrico do Pavimento, MGP.

Numa estrada existem várias situações geométricas do pavimento. Como foi referidoanteriormente existem situações de alinhamentos rectos, curvas circulares e de zonas de disfarceda sobreelevação. Estes tipos podem estar incluídos em trainéis ou em curvas de concordânciavertical. Para que se perceba o trabalho realizado há que definir e diferenciar estes dois campos.Um trainel é um troço de estrada com inclinação longitudinal constante em perfil longitudinal,sendo o caso mais simples de analisar. Pelo contrário, as curvas de concordância vertical são maiscomplexas, são curvas definidas matematicamente por uma curva circular ou parabólica. Em perfillongitudinal a intersecção de dois trainéis faz-se com uma curva de concordância vertical, convexaou côncava.

Para uma boa compreensão dos dados apresentados há que definir os seguintes acrónimos: ARsignifica alinhamento recto, CC curvas circulares e ZSe zona de disfarce de sobreelevação.

3.2. MODELO GEOMÉTRICO DO PAVIMENTO, MGP 17

É nos casos de disfarce de zonas de sobreelevação que se geram maiores linhas de água deescoamento. Nos casos em que a linha de água inicia e finaliza a sua drenagem pelo mesmo ladoacumula-se uma grande quantidade de água no pavimento. Aqui geram-se linhas de água comcomprimentos elevados resultando em espessuras de água elevadas. Numa análise de drenagemem projecto este é o caso mais importante para a prevenção da hidroplanagem. Na Figura 3.2 estárepresentado um caso problemático de ocorrência de hidroplanagem.

O modelo geométrico do pavimento permite definir a altura de água de Anderson, a velocidadecrítica de hidroplanagem e as trajectórias das linhas de água, sendo este o dado base para odesenvolvimento do modelo hidráulico do escoamento objecto desta dissertação.

Figura 3.2: Exemplo de zona de disfarce de sobreelevação (adaptado de [15])

3.2.2 Modelação da linha de água

Defina-se como linha de água a trajectória que uma gota de água realiza ao cair no pavimento atéà saída do pavimento. Uma correcta análise geométrica das estradas permite a realização de umaanálise hidráulica mais acertada e assim mais aproximada do real.

Foi necessário realizar dois programas paralelos devido aos diferentes métodos de cálculo dastrajectórias das linhas de água (Figura 3.3). O primeiro programa foi elaborado para curvascirculares e alinhamentos rectos. O segundo é direccionado para as zonas de disfarce desobreelevação. Esta separação dos dois tipos de casos possibilita também a análise, no primeiroprograma, de comprimentos superiores a um quilómetro.


O tipo de camada de desgaste não tem qualquer influência na determinação das linhas de água dadoque neste modelo estas são apenas função da geometria do traçado. Para uma melhor compreensãode toda a metodologia do cálculo da linha de água aconselha-se a leitura do trabalho realizado porSoares [2].

TIPO DE TROÇO

ZSe? ALGORITMO 2Sim

AR e CC

Não

ALGORITMO 1

DEFINIÇÃO DA LINHA DE ÁGUA

DEFINIÇÃO DA LINHA DE ÁGUA

Figura 3.3: Fluxograma do programa realizado por Soares [2]

3.2.3 Dados de entrada

Os dados de entrada do programa do modelo geométrico do pavimento são:

– Traçado da estrada;– Tipo de pavimento (BBd, BB, BC);– Intensidade de precipitação (mm/h);– Taxa de infiltração (mm/h);– Altura de areia (mm);– Temperatura do pavimento (oC)– Spin down speed (SD);– Altura das ranhuras dos pneus, TD (mm);– Pressão dos pneus (KPa);

3.2.4 Dados de saída

Os dados de saída deste programa são:

3.3. MODELO HIDRÁULICO DO ESCOAMENTO, MHE 19

– Inclinação da linha de água;– Posição da linha de água;– Altura da lâmina de água de Anderson (mm);– Linha de água crítica de cada caso;– Mapa das linhas de água;– Mapa de velocidades críticas de hidroplanagem;

As trajectórias das linhas de água resultantes da aplicação do modelo geométrico do pavimentoserão utilizadas como dados de entrada na modelação hidráulica do escoamento servindo tambémcomo apoio à representação dos resultados.

A altura de água de Anderson [9] referida é um dado de saída do programa realizado por Soares [2]contudo, não será utilizada na modelação hidráulica, apenas servirá de comparação de resultados.

3.3 Modelo Hidráulico do Escoamento, MHE


De acordo com os objectivos propostos para este trabalho o presente tópico trata a modelaçãohidráulica do escoamento sobre pavimentos rodoviários. O Modelo Hidráulico do Escoamento,MHE, permite a utilização de diversas leis de resistência e será utilizado para analisar aadequabilidade destas leis ao escoamento em questão.

As leis de resistência propostas para análise são a lei de Manning-Strickler, a de Colebrook-Whitee a de Hagen-Poiseuille.

Quando ocorre precipitação suficientemente forte que provoque escoamento existem quatro fases,de acordo com a Figura 3.4 [16]. Numa primeira fase (1), quando começa a chuvada, o pavimentoestá parcialmente molhado apenas com água abaixo das asperezas. Após a saturação do pavimentoo escoamento atinge o limite e é nesta segunda fase que o perigo de ocorrência de hidroplanagemé máximo para os utilizadores, fase (2). Após a cessação da precipitação e do escoamento algumaquantidade de água, considerada imóvel no escoamento, permanece no pavimento produzindoainda alguma insegurança para os utilizadores, (3). Numa fase final, fase (4), a água paralisadaevapora ficando de novo o pavimento seco. O presente estudo, nomeadamente a implementaçãodo MHE, refere-se à segunda fase.


depth of water required to fill the interstices of the

surface without run-off occurring.

(2) The rate of run-off grows to an equilibrium value

corresponding to the equality of run-off and the rate

of rainfall. During the same period, the depth of water

retained on the surface grows to a maximum. The

depth of water on the surface at equilibrium rate of

run-off, excluding the ‘depression storage’, is called

‘surface detention’.

(3) When the rainfall stops, the rate of run-off decreases

from its equilibrium value to zero, while the depth of

water held by surface detention falls from its

equilibrium value to zero.

(4) Finally, the water in depression storage decreases by

evaporation from the surface.

Literature review

Although a considerable amount of research data exists

relating to the overland flow of water across unpaved

surfaces, relatively little field work has been done with

paved surfaces, in particular to road surfaces. The only

existing studies have been done in LCPC (France), TRL

(UK) and Penn State University (USA) and can be divided

into two categories.

Models based on experiments

The experiments of Watkins (1964) led to a formula

relating surface detention with run-off, rainfall and surface

slope. These experiments were mostly carried out with

rather artificial surfaces such as tar and sand. Some years

later, based on a regression analysis of a wider set of data

including rainfall, texture depth and surface slope data and

collected on different pavement types, Gallaway (1971,

1979) generalised the Izzard formula. Around the same

period in France, Lucas and Lefranc (1969) proposed a set

of empirical formulae for depression storage and drying

time related, respectively, to texture, slope and weather

conditions (rainfall rate, wind velocity and temperature).

Indeed, these models constitute a real step, because they

allow the possibility to calculate the water depth during the

four stages of wetting described above. But the principal

problem about the use of these models is the necessity to

know the value of a set of coefficients, whereas no

methodology for their determination is given. It will also

be difficult to extend these models (which remain

empirical) outside the experimental plan on which they

were based.

Models based on fluid mechanics

Russnam and Ross (1968) presented a model for one-

dimensional flow in highway pavements based on

equations developed by Chezy and Manning for open

channel flow. The Manning equation was simplified by

assuming a wide channel approximation, in which the

hydraulic radius is equivalent to the flow depth. The

resulting equation is similar to the above-mentioned

empirical formula of Gallaway. Zhang and Cundy (1989)

Table 1. Factors influencing the drying time of road surfaces.

Weather conditions Pavement characteristics Traffic Environment

Intensity of rainfall Flow lines Average speed VegetationSunshine Ruts Number of vehicles . . .Wind Texture Vehicle typesHumidity Porosity . . .Temperature . . .. . .

(1) (2)

(3) (4)

Figure 1. Various stages of road surface drying.

M. Kane and M.T. Do2

Dow

nloa

ded

by [

b-on

: Bib

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o co

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NL

] at

11:

18 1

7 A

pril

2012

Figura 3.4: Diferentes fases de um pavimento durante uma chuvada [16]

3.3.2 Caracterização dos resultados do MGP

Todos os parâmetros do modelo geométrico do pavimento utilizados no modelo hidráulico foramdevidamente tratados. A posição das linhas de água no pavimento estava definida, contudo foinecessário ajustar as matrizes de posição das linhas de água para calcular a altura geométrica decada ponto da linha de água. Assim, consideraram-se perfis longitudinais independentes para cadalinha de água, em que a altura de referência para o cálculo de todas as alturas geométricas darespectiva linha de água é o ponto de cota mais baixa, o ponto de jusante. Nesse ponto a cotageométrica é considerada nula. Desta forma foi possível desenhar um perfil longitudinal para cadalinha de água para o cálculo hidráulico.

3.3.3 Caudais de cálculo

A hidroplanagem é, como já foi referido anteriormente, uma consequência do excesso de água nopavimento associado à velocidade praticada pelo condutor. A precipitação é um factor necessáriopara a ocorrência de hidroplanagem não se considerando no presente estudo a existência de outroslíquidos que não água no pavimento.

A intensidade de precipitação é um parâmetro de difícil definição devido à sua aleatoriedade. Osmétodos utilizados para o cálculo desta não serão apresentados neste texto, assim aconselha-se aleitura do trabalho de Soares [2] onde se definem com pormenor as intensidades de precipitaçãoutilizadas no caso prático da respectiva dissertação.

Não será relevante a definição rigorosa da intensidade de precipitação na análise do escoamento,uma vez que o objectivo do trabalho é observar a adequabilidade do algoritmo e a adequaçãodas leis de resistência. Assim, as intensidades de precipitação utilizadas no caso prático terão umcarácter académico, não representando a zona em estudo.

Para o cálculo hidráulico do escoamento a intensidade de precipitação é tratada como uma entradade caudal ao longo da linha de água e considera-se que as características do escoamento não variamno tempo, em cada ponto, mas variam no espaço de ponto para ponto. Assim, o escoamento diz-se


permanente gradualmente variado. A entrada de caudal é considerada constante e uniformementedistribuída em todo o traçado.

A evaporação é considerada nula no modelo hidráulico do escoamento e a taxa de infiltraçãoinvariável com o tempo. Desta forma, simplifica-se o problema realçando apenas a análisehidráulica.

Na modelação, os caudais utilizados, resultantes da intensidade de precipitação efectiva, foramcalculados considerando que para cada linha de água a largura da área de influência é unitária.Assim tem-se no final de cada linha de água um caudal de saída Qf que é o produto da área deinfluência de cada linha de água pela intensidade de precipitação efectiva. A área de influência Apé o produto do comprimento final da linha de água (Lf ) pela sua largura de influência (b) como sepode verificar na Figura 3.5.

Ap = Lf × b (m2) (3.1)

Qf = Ap × ipe (m3/s) (3.2)

Figura 3.5: Definição dos caudais de cálculo e da geometria da área de influência para cada linha de água

3.3.4 Curva de regolfo

A equação de Bernoulli traduz o princípio da conservação de energia ao longo de uma linha decorrente. Considerando estas paralelas à linha de água num curto troço de escoamento a equaçãode Bernoulli escreve-se:


dE = ids (3.3)

em que, ds é o desenvolvimento da linha de água em relação a uma secção de referência (m), i é aperda de carga unitária (-) e E é a energia total por unidade de peso (m).

Da equação escrita com a energia específica implícita vem:

d (H + z) = ids⇔ dHds

= i− dzds

= i− I (3.4)

em que, H é a energia específica (m), z é a cota geométrica (m) e I é o declive da linha de água(-).

A energia específica é definida por:

H = h+αQ2

2gS2(3.5)

sendo, α o coeficiente de Coriolis (-), considerado 1 para os efeitos do presente estudo, g é aaceleração gravítica (m/s2) , h é a altura de água do escoamento (m), S é a área da secção doescoamento (m2) e Q é o caudal (m3/s).

Tem-se então:

dH

ds=

d

dh

(h+

Q2

2gS2

)dh

ds=

(1− Q

2

gS3dS

dh

)dh

ds=

(1− Q

2L

gS3

)dh

ds(3.6)

com, dSdh = b para secções rectangulares.

O resultado da combinação da equação 3.5 com a equação 3.6 é:

dh

ds=

I − i1− Q2b

gS3

(3.7)

Esta equação representa a curva de regolfo do escoamento e para a sua resolução recorreu-se aométodo das diferenças finitas.


3.3.5 Método das diferenças finitas

Para se poder utilizar o teorema de Bernoulli no caso de estudo é necessário considerar as perdasde energia ao longo do escoamento e também a variação de caudal.

O canal é discretizado em diversos troços. Em toda a modelação e no presente texto a secção amontante é referenciada como 1 e a secção a jusante 2.

Assim, a equação de Bernoulli terá de considerar as perdas de energia e, considerando que o ponto1 está a montante do ponto 2 tem-se:

E1 = E2 + ∆E (3.8)

em que, ∆E é a perda de carga (m).

Uma vez que a energia total é a soma da cota geométrica com a altura piezométrica e a alturacinética tem-se:

(z1 + h1 +

Q12

(bh1)22g

)=

(z2 + h2 +

Q22

(bh2)22g

)+ i∆s (3.9)

em que, V é a velocidade de escoamento (m/s) e ∆s é distância entre as duas secções (m).

3.3.6 Discretização espacial

Para a resolução da equação de regolfo foi necessário discretizar as linhas de águas em diversosintervalos. Na modelação teve-se que definir para todos os pontos discretizados as respectivasposições na linha de água, caudais e alturas geométricas. Quanto mais discretizada a linha de águamais preciso será o cálculo das alturas de água.

Decidiu-se dividir os comprimentos das linhas de água por um valor definido pelo utilizador doprograma, D, para facilitar o cálculo, uma vez que a maioria das linhas de água têm comprimentosdiferentes. Dividir todas as linhas de água em intervalos iguais implicava uma difícil combinaçãode matrizes de todos os parâmetros.

A distância entre cada ponto da malha de cálculo unidimensional é dada por:

∆s =LfD

(m) (3.10)


A discretização é realizada para todos os parâmetros necessários para a realização do cálculohidráulico.

3.3.7 Definição da distribuição de caudal

A entrada de caudal ao longo da linha de água determina que o caudal varie entre dois pontosconsecutivos do escoamento. Assim, a precipitação terá influência no cálculo da equação deregolfo uma vez que a velocidade é função da secção e do caudal (equação 3.12). O caudal ajusante é definido da seguinte forma:

Q2 = Q1 + ipe × b×∆s (3.11)

v =q

h(3.12)

em que, v é a velocidade do escoamento com largura unitária (m/s/m).

3.3.8 Condições de fronteira

Dado que o caso de estudo é um problema de valores de fronteira é necessário definir as condiçõesde fronteira para a sua resolução. Desta forma tem-se:

{h(1) = hcrítico , se o escoamento é rápidoh(2) = hcrítico , se o escoamento é lento

Se o regime for lento o cálculo realiza-se de jusante para montante e a altura de referência étambém a altura crítica de escoamento.

Se o regime de escoamento é rápido o cálculo hidráulico tem de se realizar de montante parajusante considerando que a condição de fronteira de montante corresponde à altura crítica.

A definição de regime lento e rápido é realizada com o recurso ao número de Froude, parâmetrohidráulico explicado em seguida.

O cálculo da altura crítica de escoamento, hc, baseia-se na seguinte equação [3], para canaisrectangulares:


hc =3

√q2

g(3.13)

onde, q é o caudal por unidade de largura (m3/s/m).

3.3.9 Procedimento de cálculo

O procedimento de cálculo inicia-se a partir da secção de jusante da linha de água (ponto de cotamais baixa). O cálculo da altura de escoamento entre dois pontos de cada trecho de cálculo faz-sepela determinação do zero da seguinte função f , derivada da equação 3.9:

f =

(z1 + h1 +

Q12

(bh1)22g

)−(z2 + h2 +

Q22

(bh2)22g

)− i∆s (3.14)

No cálculo dos zeros da função apresentada anteriormente,(3.14), utilizou-se uma funçãopredefinida no MATLAB. O algoritmo utilizado consiste na aplicação do método de Dekker-Brent.O método é a combinação do método da Bissecção e das Secantes [17].

Dependendo do tipo de escoamento em cada trecho, o cálculo dos zeros da função f faz-se parah1, tendo h2 como valor conhecido, ou para h2, tendo h1 como valor conhecido, respectivamentepara regime de escoamento lento ou rápido.

Numa primeira abordagem assume-se que o regime é lento e que a altura de água no fim da linhade água é igual à altura crítica do escoamento nesse ponto. Desta forma, a secção de referênciapara o cálculo é a altura crítica e o cálculo realiza-se de jusante para montante. Na Figura 3.6 estárepresentado o cálculo em regime lento.

Figura 3.6: Exemplo do cálculo da curva de regolfo em regime lento


Após o cálculo da primeira altura de água é necessário verificar se a hipótese de regime lentoé verdadeira. Se no ponto calculado o número de Froude for inferior a 1 o cálculo prossegueassumindo que a nova secção de referência é a altura de água anteriormente calculada.

Se o Froude for superior a 1 o cálculo seguinte é realizado com a altura crítica e não com a alturacalculada isto é, repete-se o ponto anterior. As alturas de escoamento das secções de cálculo ajusante da qual a condição de regime lento é verificada são calculadas considerando o regimerápido, e utilizando esta secção de charneira como fronteira de montante.

Assim, faz-se a contagem dos pontos em que o Froude é superior a 1. Se essa contagem for superiora 0 significa que existe regime rápido. Fica então encontrado o ponto em que o regime altera eaplica-se o procedimento seguinte.

Após a contagem realiza-se o cálculo final das alturas de água que ficou por efectuar de acordocom a Figura 3.7. Para regime rápido o cálculo é feito de montante para jusante e a secção dereferência para o cálculo é a altura crítica. Findo este passo as alturas de água estão definidas.

Figura 3.7: Modelação do regime rápido

A definição das perdas de carga é feita consoante a lei de resistência que se esteja a utilizar, contudose a perda de carga for função da altura de escoamento é necessário processá-la em função dorespectivo caudal. As leis de resistência utilizadas na modelação do escoamento serão apresentadasem seguida.

O valor das perdas de carga utilizado no cálculo é a média das perdas de carga entre os dois pontosde cálculo, determinados com os caudais verificados em ambas as secções:

i =i1 + i2

2(3.15)

Na Figura 3.8 está apresentado o esquema geral, para várias leis de escoamento, da modelação doescoamento pluvial em pavimentos rodoviários.


Discretização

Regime lentoA jusante: RCn=intervalos

Fr>1

Sim,n=n-1

h=hfNão Contagem Fr>1

Contagem>1

Fim

Não

Regime rápidoA montante: RC Sim

DiscretizaçãoD

n=D+1

Regime lento hn=h2=hchn-1=h1=?n→D+1

Fr>1

Sim,n=n-1

Nãon=n-1

Contagem Fr>1

Contagem>1

Fim

Não

Regime rápidohn=h1=hchn+1=h2=?n→D+1

Simn=Contagem

Figura 3.8: Fluxograma do cálculo hidráulico generalizado

3.3.10 Parâmetros hidráulicos

O raio hidráulico de uma secção é calculado fazendo o quociente entre a secção de escoamento eo perímetro molhado P (m).

Rh =S

P(m) (3.16)

Em canais rectangulares de largura b, o caso do escoamento de águas pluviais em pavimentosrodoviários considerando o cálculo por largura de área de influência (Figura 3.9), tem-se:

Rh =S

P=

b× h2h+ b

(3.17)


Figura 3.9: Corte transversal do escoamento de águas pluviais em pavimentos rodoviários para a área de influênciade uma linha de água

Uma vez que a altura de água, da ordem dos milímetros, é bastante inferior à largura considerada(b»h), resultante da discretização do pavimento de acordo com o MGP, pode-se definir o raiohidráulico como:

Rh ≈b× hb

= h (3.18)

A definição do diâmetro hidráulico equivalente é importante para a aplicação das leis de resistênciadesenvolvidas para tubos circulares e corresponde a quatro vezes o raio hidráulico. Assim, odiâmetro hidráulico Dh utilizado na aplicação das leis de resistência é:

Dh = 4Rh = 4h (3.19)

O número de Froude permite definir o tipo de escoamento em superfície livre. Este parâmetrorelaciona a velocidade de escoamento com a velocidade da onda gravitacional das pequenasperturbações [3]. Com esta definição consegue-se separar o escoamento em três regimes, regimecrítico, lento e rápido.

Fr =v√gh

(3.20)

em que, Fr é o número de Froude e é adimensional.

Se Fr for superior a 1 o regime é rápido e significa que as pequenas perturbações não sepropagam para montante. Já o contrário, inferior a 1, significa que as perturbações propagam-separa montante e o regime diz-se lento. Caso o número de Froude seja igual a 1 o escoamento estáem regime crítico.


Reynolds (1883) com recurso a experiências laboratoriais examinou a transição do regime laminarpara turbulento em escoamentos em pressão de secção circular. A experiência consistia naintrodução de um segmento de corante no escoamento e no aumento gradual da velocidade deescoamento até que se verificasse a dispersão do corante, tomando o escoamento trajectóriasaleatórias. Este acontecimento representa a mudança de regime de escoamento. Reynolds além devariar as velocidades de escoamento fez variar os diâmetros dos tubos e a viscosidade do líquido aescoar tendo representado os resultados obtidos através do número de Reynolds.

O número de Reynolds é um coeficiente adimensional e exprime o quociente entre as forças deinércia e as forças de viscosidade [3]. Este parâmetro permite classificar os regimes de escoamentoem laminar ou turbulento.

Re =UDhν

(3.21)

em que, ν é o coeficiente de viscosidade cinemática (m2/s)eDh é o diâmetro hidráulico (m).

Considerando Dh igual a quatro vezes o raio hidráulico Rh e que este neste tipo de escoamentos éigual à altura de água h tem-se:

Re =q4h

νh=

4q

ν(3.22)

Para escoamentos em superfície livre é também usual usar-se como escala geométrica a altura deescoamento e assim o número de Reynolds pode tomar a seguinte forma:

Re =qh

νh=q

ν(3.23)

Esta distinção realiza-se devido à natureza das leis de resistência utilizadas na modelação. Paraa utilização da lei de Colebrook-White e de Hagen-Poiseuille sugere-se à partida a utilização donúmero de Reynolds da equação 3.22. Já para a lei de resistência de Manning-Strickler a correctaaplicação do número de Reynolds será a equação 3.23, uma vez que os coeficientes de Manningdisponíveis para a utilização desta lei foram determinados com essa formulação.

Muitos autores apenas fazem referência à equação 3.23, contudo dado as alturas de água seremmuito reduzidas o número de Reynolds poderá ter grande influência nos resultados finais.


Serão modeladas as duas equações para a determinação do número de Reynolds para que se possamrealizar duas análises distintas das alturas de água. Assim, também é possível entender a influênciadeste parâmetro na determinação das alturas de água.

Para a lei de Colebrook-White e Hagen-Poiseuille a utilização do número de Reynoldscorrespondente a escoamentos em superfície livre servirá de apoio à verificação da adequabilidadedestas leis para este tipo de escoamento conforme os resultados obtidos.

3.3.11 Escoamento laminar e turbulento

Para escoamentos laminares sabe-se que as velocidades das partículas são bem definidas e nosentido do escoamento. No escoamento de águas pluviais em pavimentos rodoviários é difícil deimaginar este acontecimento uma vez que a macrorugosidade do pavimento é, aproximadamente,da mesma magnitude da altura de escoamento. Contudo, os valores do número de Reynoldspresentes neste tipo de escoamento são algo reduzidos devido à natureza do problema podendoassim esperar-se escoamento laminar do tipo filamentar em torno de obstáculos. Para escoamentosem hidráulica de superfície livre o escoamento considera-se laminar, para valores de Reynoldsinferiores a 2000 (equação 3.22) ou 500 (equação 3.23) [3]. Uma vez que estes valores se destinama problemas mais comuns como escoamentos em canais com grandes caudais é prudente analisaro caso de estudo considerando os dois tipos de escoamento, laminar e turbulento.

Serão consideradas as leis de resistência referentes ao regime laminar e analisar-se-ão os resultadosobtidos.

Já nos escoamentos turbulentos as partículas de água têm velocidades independentes com direcçãoaleatória. Muitos autores consideram à partida que o escoamento é turbulento devido à perturbaçãoexercida pela queda das gotas de água da chuva no pavimento. A diferenciação do tipo deescoamento é realçada para que se entenda o porquê das leis de resistência utilizadas.

3.3.12 Leis de resistência

As perdas de energia ou perdas de carga ocorrem devido à tensão tangencial no interior do fluidoe entre este e a sua fronteira sólida. Estas perdas de carga são contínuas e são o objecto deestudo deste trabalho. Pode ocorrer outro tipo de perda de carga num escoamento, perda de cargalocalizada, e é consequência de singularidades que possam existir. Este tipo de perdas não sãoconsideradas no escoamento em análise, contudo em casos de pavimentos ranhurados pode sernecessário considerar estas perdas.

Existem várias propostas para determinar as perdas de carga de escoamentos de superfície livre eneste Capítulo serão apresentadas as leis analisadas utilizadas na modelação.

Serão analisadas leis de resistência com fundamento teórico, que não são frequentemente utilizadasem escoamentos de superfície livre, caso das leis de Hagen-Poiseuille e Colebrook-White além dalei de Manning-Strickler que é empírica e correntemente utilizada neste tipo de problemas [9].


Considerando que as perdas de carga são contínuas podem-se representar em função de um factorde resistência pela equação de Darcy-Weisbach. Esta equação baseia-se em fundamentos teóricose foi deduzida para ser utilizada em escoamentos em pressão.

A utilização desta fórmula é válida para escoamentos de superfície livre. De acordo com aAmerican Society of Civil Engineers a equação adequa-se a escoamentos de superfície livre [18].

A equação de Darcy-Weisbach é representada pela equação [3]:

∆E = fL

Dh

V 2

2g(3.24)

i =f

Dh

V 2

2g(3.25)

em que, f é o factor de resistência de Darcy-Weisbach(-).

– Escoamento laminarPara regime laminar o factor de resistência é função apenas do número de Reynolds:

f =C

Re(3.26)

onde, C é o coeficiente de forma sendo 64 para tubagens e em função da geometria nosrestantes dos casos.

A modelação em regime laminar será realizada com base num estudo sobre escoamentoslaminares e em transição em canais rectangulares rugosos [19].

Woo [19] apresentou os resultados de um estudo de escoamentos em canais rectangularesde águas provenientes de precipitação artificial. O estudo foi realizado para dois tipos derugosidade e para onze inclinações diferentes. Os resultados obtidos da experiência realizadapermitiram-lhe concluir que para escoamento laminar os valores experimentais afastam-sesignificativamente dos valores teóricos e dependem da inclinação de fundo. A aplicaçãodestes resultados ao caso de estudo é algo redundante uma vez que os tipos de rugosidade sãobastante distintos, no entanto para que se possa aplicar a lei de Hagen-Poiseuille é necessárioassumir a adequabilidade destes resultados numa primeira abordagem.

Na Figura 3.10 estão apresentados os resultados da experiência para superfícies rugosas:


Figura 3.10: Resultados da resistência ao escoamento de superfícies rugosas [19]

Com os resultados obtidos em superfície de areia (Figura 3.10) definiu-se automaticamenteuma função aproximada da distribuição do coeficiente C em função da inclinação de fundo(Figura 3.11). A expressão exprime de modo fiável os resultados obtidos.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060

5

10

15

20

25

30

Coe

ficie

nte

C (-

)

Inclinação de fundo (%)

C = 51.521 I0.2632

Figura 3.11: Linha de tendência calculada de acordo com os valores de Woo [19]

Para inclinações inferiores a 0,3% o valor de C é constante de 9,8. Se a inclinação for superiora esse valor é necessário recorrer à expressão:

C = 51, 521I0,2632 (3.27)


A expressão permite determinar o factor de resistência antes da aplicação do método dasdiferenças finitas dado que é apenas função da inclinação de fundo, já definida pelo modelogeométrico do pavimento, e do caudal, proveniente do número de Reynolds.

– Escoamento turbulento - Colebrook-WhiteNa modelação para regime turbulento, recorrendo à formulação teórica, foi utilizada aequação de Colebrook-White para a caracterização do escoamento. O factor de resistência édefinido pela equação:

1√f

= −2log(

k

3, 71Dh+

2, 51

Re√f

)(3.28)

em que, k é a rugosidade equivalente considerada igual à profundidade média da textura (m).

A utilização desta fórmula dificulta a modelação, pois como se pode observar a equaçãoé implícita. A presença do factor de resistência em ambos os membros obriga a utilizaçãode métodos numéricos para a sua resolução. Assim, recorreu-se ao cálculo automático defunções não lineares para a definição factor de resistência [20].

Foi necessário definir a rugosidade equivalente para aplicar a equação e considerou-seser igual à altura de areia (profundidade média das asperezas). O diâmetro hidráulicoconsiderou-se quatro vezes a altura de água, já analisado anteriormente.

A consideração de regime turbulento ignora o facto de o número de Reynolds apontar pararegime laminar, pois os valores são inferiores a 2000 (equação

modelação do escoamento em pavimentos rodoviários · um carinhoso e sentido obrigado à minha...

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